鐵對缺磷和鋁毒耦合脅迫下杉木耐鋁性的影響

鐘明慧,洪美珍,羅珍珍,葉麗麗,許珊珊,曹光球,葉義全*

(1 福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院,福州 350002;2 國家林草局杉木工程技術(shù)研究中心,福州 350002;3 林木逆境生理生態(tài)及分子生物學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002)

杉木(Cunninghamialanceolata)為常綠喬木,是中國南方林區(qū)常見的一種優(yōu)良用材樹種,具有病蟲害少、生長迅速以及材性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),在中國南方林區(qū)廣泛栽培[1-2]。

眾所周知,杉木主要分布在南方富鐵鋁化酸性土壤中,近年來由于化石燃料大量使用和汽車尾氣排放的增加導(dǎo)致大氣酸沉降不斷加劇,同時(shí)受人們?yōu)槠孀非螽a(chǎn)量而大量使用化肥以及不當(dāng)施肥的影響,導(dǎo)致土壤酸化面積和程度日益加深,極大地促進(jìn)土壤中金屬離子如鐵和鋁離子等的溶出,增加它們在土壤中的有效性,加劇了金屬離子對植物的毒害[3-4]。

另一方面,酸性土壤中的植物除易遭受金屬離子毒害外,還經(jīng)常受到磷等養(yǎng)分元素缺乏脅迫,而且土壤酸化加劇后,增加的鐵和鋁等金屬離子還容易與磷形成難溶性的化合物,進(jìn)一步加劇酸性土壤中磷的缺乏[5-6]。

因此,生長在酸性土壤中的杉木,常常同時(shí)遭受磷等養(yǎng)分元素缺乏以及鐵和鋁等金屬離子毒害等多重脅迫,嚴(yán)重影響杉木的生長,特別是酸性土壤中鋁毒被認(rèn)為是限制植物生長的最重要障礙因子[7],給杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營帶來重大風(fēng)險(xiǎn)。

盡管目前有關(guān)杉木缺磷、鋁毒和鐵毒害的相關(guān)研究已有報(bào)道。例如,于姣妲等[8]研究發(fā)現(xiàn),低磷脅迫下杉木可通過提高抗氧化酶活性、促進(jìn)根系對養(yǎng)分的吸收來共同增強(qiáng)其對低磷環(huán)境的適應(yīng)。鋁脅迫下,AsA-GSH循環(huán)關(guān)鍵酶活性的提高和非酶性抗氧化劑含量的增加被認(rèn)為是杉木具有較強(qiáng)鋁耐能力的重要原因[9]。

伍麗華等[10]研究表明,高濃度鐵誘導(dǎo)的葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)氧化損傷是導(dǎo)致杉木新葉葉綠素合成和光合作用受阻的關(guān)鍵因素。但這些研究通常僅僅關(guān)注杉木對某種單一脅迫的應(yīng)答響應(yīng),而實(shí)際上在南方富鐵鋁化酸性土壤中3種脅迫是同時(shí)存在的,對于在酸性土壤中三者之間的互作關(guān)系及其對杉木耐鋁性有何影響,尚不清楚,而這些元素之間互作關(guān)系的揭示對于提高酸性土壤中杉木耐鋁能力具有重要意義。

鑒于此,本研究以杉木優(yōu)良基因型材料YX11為對象,通過分析缺磷和鋁毒耦合脅迫下,鐵對杉木的生長、光合色素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、氣體交換參數(shù)和抗性生理指標(biāo)的影響,旨在從生理水平闡明鐵對缺磷鋁毒耦合脅迫下杉木耐鋁性的影響及其調(diào)控機(jī)理,從而為進(jìn)一步通過農(nóng)藝措施改善酸性土壤上杉木耐鋁能力提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料培養(yǎng)

以杉木優(yōu)良基因型材料YX11為研究對象。杉木種子用自來水洗凈后,將其浸泡于0.3% KMnO4溶液中消毒,0.5 h后用將KMnO4倒掉,并加入超純水將殘留在種子表面的KMnO4清洗干凈。接著把種子轉(zhuǎn)移到適量超純水中浸泡,120 min后除去在水面漂浮的種子,隨后將剩下種子瀝干水后加入初始溫度為45 ℃的溫水中浸泡24 h。將經(jīng)以上處理的種子置于濾紙板萌發(fā)25 d,濾紙板底部浸泡含3 mmol/L CaCl2溶液中以保持濕潤[11-12]。

萌發(fā)后的杉木幼苗移入正常營養(yǎng)液培養(yǎng),營養(yǎng)液配方為3 000 μmol/L KNO3,750 μmol/L NaH2PO4,1 000 μmol/L CaCl2,500 μmol/L MgSO4,10 μmol/L H3BO3,0.5 μmol/L MnSO4,0.5 μmol/L ZnSO4,0.1 μmol/L CuSO4,0.1 μmol/L (NH4)6Mo7O24,50 μmol/L Fe-EDTA。杉木幼苗在光照培養(yǎng)室培養(yǎng)5個(gè)月,培養(yǎng)條件為:14 h/25 ℃光照、10 h/22 ℃黑暗,110 μmol/(m2·s)光強(qiáng),相對濕度75%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將購買自本地市場的河沙過1 mm 篩后先用自來水清洗3遍,隨后將細(xì)沙用稀鹽酸浸泡8 h并用純凈水將細(xì)沙清洗5遍,接著將沙子裝入容器分批置于高壓鍋中在121 ℃下高壓滅菌30 min,并在烘箱中烘干。2021年5月25日選擇長勢一致且健壯的5月齡杉木幼苗,用超純水洗凈根部,移栽至裝有2 000 g細(xì)沙的上部口徑14.6 cm、底徑10.5 cm、高12.5 cm、底部有孔的塑料花盆中緩苗15 d,期間用蒸餾水補(bǔ)充水分散失。2021年6月緩苗結(jié)束后選擇生長健壯且長勢一致的杉木幼苗進(jìn)行不同脅迫處理。

試驗(yàn)設(shè)置CK(對照,正常營養(yǎng)液)、Al(鋁脅迫處理,正常營養(yǎng)液中加1 mmol/L AlCl3)、-P+Al(缺磷和鋁毒耦合脅迫處理,正常營養(yǎng)液中加1 mmol/L AlCl3,同時(shí)不加NaH2PO4)、-P+Al-Fe(鋁毒缺磷缺鐵脅迫處理,正常營養(yǎng)液中加1 mmol/L AlCl3,同時(shí)不加Fe-EDTA和NaH2PO4)4個(gè)處理。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù),每重復(fù)9株苗。

在進(jìn)行不同脅迫處理時(shí),每盆幼苗首先用各自配好的處理液2 L緩慢澆入沙中,下方用塑料桶接住流出花盆的處理液,隨后再將其緩慢澆入沙中,確保每盆基質(zhì)中處理液均處于飽和狀態(tài),接著分別將育苗盆放在托盤上,并在托盤中加滿各自處理液進(jìn)行過夜處理,處理液自盆底向上滲透平衡,進(jìn)一步確?；|(zhì)處于處理液飽和狀態(tài)。第2天將花盆從托盤中拿出,在重力作用下當(dāng)花盆不再往外滲處理液時(shí),將花盆質(zhì)量進(jìn)行稱重。隨后在處理期間每隔3 d采用稱重法用100 mL量筒澆1次去離子水及時(shí)補(bǔ)充蒸發(fā)的水分,共處理45 d,處理結(jié)束后采集樣品進(jìn)行相關(guān)生理指標(biāo)測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長指標(biāo)處理開始時(shí)用直尺測定杉木幼苗基部至頂梢的長度作為初始苗高(精確至0.1 cm),同時(shí)用游標(biāo)卡尺測定基部根莖結(jié)合處的大小作為初始地徑(精確至0.01 mm),處理結(jié)束后再次用相同方法測定植株苗高和地徑,將兩次測得苗高、地徑相減作為處理期間苗高和地徑增量指標(biāo),每個(gè)處理3次重復(fù),每次重復(fù)9株苗。

1.3.2 葉片光合色素含量光合色素含量參照李玲燕等的方法進(jìn)行測定[12]。處理結(jié)束后,選取不同處理植株上部第一輪生枝上的成熟健康葉片測定光合色素含量。剪取葉片后用超純水洗凈并用吸水紙吸干,再剪碎后稱取0.30 g放入研磨,加入液氮研磨成粉末后,加入95%乙醇繼續(xù)研磨,隨后將勻漿倒入離心管,在黑暗下靜置3 h后于12 000 g離心10 min,取上清液定容至25 mL。用分光光度計(jì)測定663、645、470 nm處的吸光度D663、D645、D470。根據(jù)公式計(jì)算葉綠素含量、葉綠素a/b的值、類胡蘿卜素含量。

葉綠素a含量(Chla) =(12.7D663-2.69D645)×[V/(1 000×W)]

葉綠素b含量(Chlb) =(22.9D645-4.68D663)×[V/(1 000×W)])

葉綠素含量[Chl(a+b)]=(20.2D645+8.02D663)×[V/(1 000×W)])

類胡蘿卜素含量(Car.)=(1 000D470-3.27 Chl a-104Chl b)/229

式中:V為提取液體積(mL);W為葉片鮮重(g)。

1.3.3 葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定參照許珊珊等的方法進(jìn)行[13]。試驗(yàn)處理結(jié)束后,選取與測定光合色素含量同一部位健康成熟葉片,用PAM-2500便攜式葉綠素?zé)晒鈨x(WALZ,德國)進(jìn)行杉木葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定。于上午8:30開始測定,測定前先將葉片表面擦凈后將其置于暗盒進(jìn)行暗適應(yīng)20 min。

通過上述測定的熒光參數(shù)計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在光化學(xué)活性(Fv/Fo)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)和實(shí)際最大量子產(chǎn)額(QY)等相關(guān)參數(shù)。

1.3.4 葉片光合氣體交換參數(shù)光合氣體交換參數(shù)測定參照羅紅艷等[14]的方法進(jìn)行。試驗(yàn)處理結(jié)束后,選擇與測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)同一部位成熟且健康的葉片,在上午9:00-11:30,使用LI-6400便攜式光合儀(LI-COR,美國)測定杉木葉片氣體交換參數(shù)。

選擇人工光源葉室,光源設(shè)置為紅光∶藍(lán)光∶綠光=1∶1∶1,光照強(qiáng)度1 000 μmol/(m2·s),設(shè)定外界二氧化碳濃度為400 μmol/mol,葉室溫度為25±0.5 ℃,葉室流速為400 μmol/s,空氣相對濕度為70%。

主要測定指標(biāo)包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)。每個(gè)參數(shù)測定5株,葉面積使用Image-Pro Plus 6.0軟件進(jìn)行計(jì)算。

1.3.5 杉木鋁和鐵含量處理結(jié)束后,將杉木地上部分和根分別收獲,用超純水洗凈并用吸水紙吸干,稱重,隨后將地上部分和根系分別裝入信封中,放入烘箱在105 ℃條件下殺青30 min,并在75 ℃條件下將樣品烘干至恒重。再將烘干的樣品粉碎、過100目篩(0.149 mm),稱取烘干樣品0.3 g裝入微波消解罐加入適量HNO3-HClO4混合液,利用微波消解儀進(jìn)行消煮,消煮液經(jīng)稀釋定容后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法[13](ICP-MS)測定樣品中的鋁、鐵含量。

1.3.6 葉片抗性生理指標(biāo)處理結(jié)束后,取不同處理中植株第一輪生枝條上的成熟健康葉片,稱取0.3 g剪成碎片混勻,用液氮研磨成粉末,用于氧化損傷指標(biāo)測定。

丙二醛含量用硫代巴比妥酸(TBA)反應(yīng)法進(jìn)行測定,馬可溶性蛋白含量用考斯亮藍(lán)法分析,過氧化氫含量用硫酸鈦比色法進(jìn)行測定,脯氨酸含量用酸性茚三酮進(jìn)行測定[15]。以上生理指標(biāo)每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3.7 葉片抗氧化酶活性試驗(yàn)結(jié)束后,取不同處理中植株第一輪生枝條上的成熟健康葉片,稱取0.5 g剪成碎片混勻,用液氮研磨成粉末,用來測定以下抗氧化酶活性。用氮藍(lán)四唑(NBT)比色法測定超氧化物岐化酶(SOD)活性,用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性,用紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性,抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性參照Nanako的方法測定[16]。以上生理指標(biāo)每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用Excel 2019對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。利用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD多重比較方法在0.05水平上檢測處理間差異顯著性,并用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵對缺磷鋁毒耦合脅迫下杉木幼苗生長的影響

各脅迫處理均顯著抑制了杉木苗高的生長,其苗高增量均比對照(CK)顯著降低(P<0.05),降幅介于26.72%～46.93%之間;與單獨(dú)鋁毒處理(Al)相比,杉木苗高增量在缺磷和鋁毒耦合脅迫及正常供鐵處理(-P+Al)下進(jìn)一步降低,而在缺磷和鋁毒耦合脅迫及缺鐵處理(-P+Al-Fe)中有所增加,但升降幅度均未達(dá)到顯著水平(P>0.05);-P+Al-Fe處理苗高增長量較-P+Al處理顯著增加(P<0.05)(圖1,A)。

CK.對照,完全營養(yǎng)液;Al.完全營養(yǎng)液加入1 mmol/L AlCl3;-P+Al.完全營養(yǎng)液不含750 μmol/L NaH2PO4,同時(shí)加入1 mmol/L AlCl3; -P+Al-Fe完全營養(yǎng)液不含50 μmol/L Fe-EDTA和750 μmol/L NaH2PO4,同時(shí)中加入1 mmol/L AlCl3。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P <0.05)。下同。圖1 鐵對磷鋁耦合脅迫下杉木幼苗生長的影響CK. Control, full strength nutrition solution; Al. Full strength nutrition solution with 1 mmol/L AlCl3; -P+Al. Full strength nutrition solution without 750 μmol/L NaH2PO4 and added with 1 mmol/L AlCl3; -P+Al-Fe. Full strength nutrition solution without 50 μmol/L Fe-EDTA and 750 μmol/L NaH2PO4 and added with 1 mmol/L AlCl3. Different lowercase letters represent significant difference among different treatments (P <0.05). The same as below.Fig.1 Effect of iron on the growth of Cunninghamia lanceolata seedlings under phosphorus-aluminum coupling stress

同時(shí),杉木地徑增量在不同脅迫處理下也較CK不同程度下降,但對照及不同處理之間均不存在顯著差異(圖1,B)。可見,在缺磷和鋁毒耦合脅迫下鐵是加劇Al毒誘導(dǎo)杉木苗高生長受抑的重要原因。

2.2 鐵對缺磷鋁毒耦合脅迫下杉木葉片光合生理指標(biāo)的影響

2.2.1 光合色素含量杉木葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量在不同脅迫處理下表現(xiàn)出相同的變化趨勢,且均比對照顯著降低;與Al處理相比,葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量在 -P+Al處理下分別顯著降低10.68%和8.28%(P<0.05),而在-P+Al-Fe處理下稍有升高,但未達(dá)到顯著水平(P>0.05);-P+Al-Fe處理光合色素含量則較-P+Al處理顯著增加(圖2,A、B)。同時(shí),與CK相比,杉木葉片葉綠素a/b值在各脅迫處理均不同程度提高,但僅-P+Al處理增幅達(dá)到顯著水平,而不同脅迫處理之間均不存在顯著差異(P>0.05)(圖2,C)。可見,磷鋁耦合脅迫下,鐵加劇Al毒誘導(dǎo)杉木生長受抑可能與其葉片光合色素含量下降,從而對光合效率產(chǎn)生不利影響有關(guān)。

圖2 鐵對磷鋁耦合脅迫下杉木葉片光合色素含量的影響Fig.2 Effect of iron on photosynthetic pigment content of C. lanceolata leaves under phosphorus-aluminum coupling stress

2.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)杉木葉片初始熒光(Fo)值在各脅迫處理下均顯著高于CK(P<0.05),在-P+Al處理下又顯著高于Al處理,而在-P+Al-Fe與Al處理間無顯著差異(表1)。杉木葉片最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、PSⅡ潛在光化學(xué)活性(Fv/Fo)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和實(shí)際最大量子產(chǎn)額(QY)在不同脅迫處理下的表現(xiàn)類似,均不同程度低于相應(yīng)CK,較CK的降幅分別介于7.58%～49.60%、34.42%～79.76%、2.74%～27.90%、5.23%～24.14%和3.70%～40.07%之間,且大多達(dá)到顯著水平。其中,與Al處理相比較,杉木葉片F(xiàn)m、Fv、Fv/Fo、Fv/Fm、qP和QY值在-P+Al處理下均顯著下降,而在-P+Al-Fe處理下則不同程度上升,但僅Fv/Fo增幅達(dá)到顯著水平;同時(shí),以上各指標(biāo)值在-P+Al-Fe處理下均比-P+Al處理顯著增加(表1)。杉木葉片非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)值在Al處理和-P+Al-Fe處理下均稍高于CK,但它們之間均不存在顯著差異(P>0.05),而-P+Al處理NPQ則較CK顯著下降51.54%(表1)。 以上結(jié)果說明磷鋁耦合脅迫下,鐵加劇Al毒誘導(dǎo)杉木生長受抑與其葉片能利用效率下降密切相關(guān)。

表1 鐵對磷鋁耦合脅迫下杉木葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 1 Effect of iron on chlorophyll fluorescence parameters of C. lanceolata leaves under phosphorus-aluminum coupling stress

2.2.3 氣體交換參數(shù)杉木葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)在Al處理下均較CK顯著下降(P<0.05),在-P+Al處理下則比Al處理進(jìn)一步顯著降低并達(dá)到最小值,分別較CK顯著下降87.1%、80.5%和76.3%;而-P+Al-Fe處理葉片Pn、Gs和Tr值較-P+Al處理得到顯著提升(P<0.05),但仍顯著低于CK(圖3, A、B、D)。同時(shí),杉木葉片胞間二氧化碳濃度(Ci)在-P+Al處理下較CK顯著提高(P<0.05),在其余不同處理之間均不存在顯著差異(圖3,C);而葉片水分利用效率(WUE)在-P+Al處理下顯著低于CK,在其余不同處理間均不存在顯著差異(圖3,E)。這說明磷鋁耦合脅迫下,杉木葉片光合能力的顯著下降是鐵加劇Al毒誘導(dǎo)杉木生長受抑的另一關(guān)鍵原因。

圖3 鐵對磷鋁耦合脅迫下杉木葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.3 Effects of iron on gas exchange parameters of C. lanceolata leaves under phosphorus-aluminum coupling stress

2.3 鐵對缺磷鋁毒耦合脅迫下植株鋁和鐵含量的影響

杉木葉片和根中Al含量在Al、-P+Al和-P+Al-Fe處理下均比CK顯著大幅度增加(P<0.05);與Al處理相比,-P+Al和-P+Al-Fe處理杉木根中Al含量均顯著增加,而其葉中Al含量則均顯著降低,而兩處理之間根和葉中Al含量均無顯著差異(P>0.05);在相同脅迫處理下,杉木根鋁含量明顯高于葉片(圖4,A、B)。同時(shí),與CK相比,杉木葉和根中鐵的積累在Al處理下均受到抑制,且根中鐵含量降幅達(dá)到顯著水平; -P+Al處理杉木葉片和根中的鐵含量比Al處理大幅顯著增加,并在各處理間達(dá)到最大值,分別較CK顯著增加117.4%和95.4%;-P+Al-Fe處理葉片和根中鐵含量顯著高于Al處理,并達(dá)到對照水平,但同樣顯著低于-P+Al(圖4,C、D)。以上結(jié)果說明植株體內(nèi)鐵的大量積累是導(dǎo)致-P+Al處理植株生長受抑的另一主要原因。

圖4 鐵對磷鋁耦合脅迫下杉木植株鋁和鐵含量的影響Fig.4 Effects of iron on aluminum and iron contents in C. lanceolata plants under phosphorus-aluminum coupling stress

2.4 鐵對缺磷鋁毒耦合脅迫下杉木葉片抗性生理指標(biāo)的影響

2.4.1 丙二醛和過氧化氫含量杉木葉片丙二醛(MDA)和過氧化氫(H2O2)含量在各處理下的變化表現(xiàn)相似。

葉片MDA和H2O2含量在各脅迫處理下均比CK顯著增加,在 -P+Al處理下達(dá)到最大值,分別較CK顯著提高61.2%和87.8%,并均顯著高于Al處理和-P+Al-Fe處理,而-P+Al-Fe處理與Al處理之間無顯著差異(圖5,A、B)。

圖5 鐵對磷鋁耦合脅迫下杉木葉片氧化損傷指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of iron on oxidative damage index of C. lanceolata leaves under phosphorus-aluminum coupling stress

2.4.2 可溶性蛋白和脯氨酸含量各脅迫處理杉木葉片可溶性蛋白和脯氨酸含量均比對照不同程度提高,且脯氨酸(Pro)的含量增幅達(dá)到了顯著水平。其中,杉木葉片可溶性蛋白在各脅迫處理及其對照之間均不存在顯著差異(P>0.05)(圖5,C);各處理杉木葉片脯氨酸(Pro)的含量表現(xiàn)為:Al>-P+Al-Fe>-P+Al>CK,且不同處理之間均存在顯著差異(P<0.05)(圖5,D)。

2.4.3 抗氧化酶活性杉木葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和過氧化氫酶(CAT)活性在各脅迫處理下均比CK顯著增加(P<0.05);與Al處理相比, -P+Al處理葉片各酶活性均顯著下降,而-P+Al-Fe處理葉片SOD活性顯著降低,其余抗氧化酶活性均無顯著變化;-P+Al-Fe處理葉片抗氧化酶活性均顯著高于相應(yīng)-P+Al處理(圖6,A-D)。以上結(jié)果說明抗氧化酶活性受抑是-P+Al處理植株葉片積累大量H2O2和MDA的重要原因。

圖6 鐵對磷鋁耦合脅迫下杉木葉片抗氧化酶活性的影響Fig.6 Effects of iron on antioxidant enzyme activities of C. lanceolata leaves under phosphorus-aluminum coupling stress

3 討 論

鋁毒是酸性土壤中限制杉木生長的重要障礙因子之一,但生長在酸性土壤中的杉木除了遭受鋁毒脅迫外,還同時(shí)遭受鐵毒和磷養(yǎng)分元素缺乏等多重脅迫,因此揭示這些元素互作對杉木耐鋁性的影響,對闡明杉木對酸性土壤的適應(yīng)策略具有重要意義。眾所周知,鋁會(huì)在短時(shí)間內(nèi)抑制植物根系伸長,進(jìn)而阻礙植物對養(yǎng)分和水分的吸收,最終抑制其生長[17]。本研究發(fā)現(xiàn),Al處理同樣能顯著抑制杉木苗高的生長,-P+Al處理則進(jìn)一步加劇Al誘導(dǎo)的苗高生長受抑程度,而-P+Al-Fe處理則顯著緩解-P+Al 處理引起的苗高生長受抑現(xiàn)象。上述結(jié)果表明,鐵的存在與否對缺磷和鋁毒耦合脅迫下杉木幼苗的耐Al性具有重要影響,在缺磷和鋁毒耦合脅迫下,相對于正常供鐵而言,缺鐵可顯著緩解Al脅迫引起的生長抑制現(xiàn)象。這與前人對油茶的有關(guān)研究結(jié)果[18-19]相類似。盡管不同脅迫處理下杉木地徑生長也受到抑制,但它們之間不存在顯著差異,這可能由于苗木處理時(shí)間相對較短,而且地徑生長相對較慢,短時(shí)間內(nèi)增長量變化不太明顯引起的。

植物生長的物質(zhì)和能量來源主要依靠葉片光合碳同化過程,因此不同脅迫處理下杉木生長受抑可能與光合碳同化過程受影響有關(guān)[20]。植物的光合作用過程涉及光能的捕獲吸收和同化利用,而光能的捕獲吸收主要依靠葉片中的光合色素[21]。本研究發(fā)現(xiàn)與CK相比,Al處理顯著降低杉木葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量,這與葉義全等[22]的研究結(jié)果相似。而且本研究還發(fā)現(xiàn)-P+Al 處理進(jìn)一步降低葉綠素和類胡蘿卜素在杉木葉片中的積累,而-P+Al-Fe 處理則顯著增加二者的含量。除光合色素外,不同脅迫處理對光能的同化利用也存在不利影響。與CK相比,本研究中杉木葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fm、Fv、Fv/Fo、Fv/Fm、qP和QY值在 Al處理下均顯著降低,在-P+Al 處理則進(jìn)一步降低,而在-P+Al-Fe 處理下則比-P+Al處理顯著增加。類似地,杉木葉片光合氣體交換參數(shù)Pn、Gs和Tr值在Al脅迫處理下同樣顯著降低,而在-P+Al 處理則加劇Al引起的光合氣體交換參數(shù)值下降,而在-P+Al-Fe 處理下則能逆轉(zhuǎn)上述過程。上述結(jié)果共同表明,Al脅迫引起植物生長量下降與Al處理下光合色素含量下降以及光合作用效率和光能利用效率受抑制密切相關(guān)。在缺磷和鋁毒耦合脅迫下,相對于正常供鐵而言,缺鐵顯著緩解鋁脅迫引起的生長抑制與其促進(jìn)光合色素積累同時(shí)增強(qiáng)光能利用能力有關(guān)。

逆境脅迫下植物光合能力下降很大程度上是由于逆境脅迫引起的活性氧積累對原生質(zhì)膜以及光合反應(yīng)機(jī)構(gòu)造成氧化損傷引起的[23]。的確,本研究發(fā)現(xiàn)不同脅迫處理下杉木葉片F(xiàn)o值均顯著提高,并以-P+Al處理Fo值最大,說明-P+Al處理下光反應(yīng)中心受損最嚴(yán)重導(dǎo)致其不可逆失活從而使Fo值顯著增加[22, 24-25]。與該結(jié)果一致的是,-P+Al處理中杉木葉片H2O2含量顯著高于其他脅迫處理,進(jìn)一步說明導(dǎo)致-P+Al處理中葉片光合色素含量以及光合碳同化能力下降的主要原因是由于該處理顯著誘導(dǎo)H2O2的積累,從而對質(zhì)膜以及光合反應(yīng)機(jī)構(gòu)造成不可逆損傷引起的,而-P+Al-Fe處理中H2O2含量顯著低于前者,因此其膜脂過氧化損傷產(chǎn)物MDA含量也顯著低于前者,從而在一定程度上保護(hù)了光合反應(yīng)中心結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)了葉片的光合能力。通常而言,植物體內(nèi)活性氧積累的量與其自身抗氧化系統(tǒng)清除活性氧能力大小密切相關(guān)[26]。本研究中Al脅迫處理顯著提升了杉木葉片CAT、SOD、POD和APX活性,從而增強(qiáng)其對活性氧的清除能力,盡管與CK相比,-P+Al處理上述抗氧化酶活性也顯著增加,但其增加幅度顯著低于Al和-P+Al-Fe處理,因此其對H2O2的清除能力顯著低于Al和-P+Al-Fe處理,從而導(dǎo)致H2O2在杉木葉片中大量積累,引起嚴(yán)重的氧化損傷,增加了膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的形成。可見,在缺磷加鋁毒耦合脅迫下,相對于正常供鐵而言,缺鐵顯著緩解鋁脅迫引起的杉木葉片光合色素含量以及光合能力的下降與缺鐵能顯著提升其抗氧化酶活性,增強(qiáng)其活性氧清除能力,降低H2O2積累,從而在一定程度上避免光合色素的降解和光合反應(yīng)中心的破壞有關(guān)。

在金屬離子脅迫下植物體內(nèi)活性氧的形成通常與其體內(nèi)積累的金屬離子含量密切相關(guān)[27-30]。研究表明植物體內(nèi)積累過量的鋁可通過形成鋁超氧化物半還原態(tài)自由基而具有過氧化活性,從而誘導(dǎo)包括H2O2在內(nèi)的活性氧大量積累,對質(zhì)膜和生物大分子造成氧化損傷[31]。而當(dāng)植物體內(nèi)積累過量鐵的時(shí)候,鐵則會(huì)通過Fenton反應(yīng)不可避免地與H2O2反應(yīng)形成羥基自由基,從而破壞植物體內(nèi)的脂質(zhì)和生物大分子,甚至引起細(xì)胞死亡[32]。本研究結(jié)果表明,不同脅迫處理均顯著增加杉木葉片和根中的鋁含量,其中Al脅迫處理葉片鋁含量顯著高于-P+Al-Fe和-P+Al處理,因此,從理論上講Al處理葉片遭受氧化損傷程度最大,然而實(shí)際情況卻是-P+Al處理葉片積累最多的H2O2和MDA,當(dāng)然導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)部分可能由于-P+Al處理自身具有較低的活性氧清除能力,同時(shí)也由此可推測出Al可能并不是導(dǎo)致-P+Al處理葉片大量積累H2O2的唯一原因。進(jìn)一步分析杉木植株鐵元素含量發(fā)現(xiàn),-P+Al處理根和葉片鐵含量均顯著高于其他處理,該處理葉片鐵含量是CK的2.80倍,因此這些結(jié)果暗示-P+Al處理葉片之所以積累的H2O2高于Al處理,另一重要的原因就是與該處理葉片中積累大量的鐵有關(guān)。相較于Al處理,-P+Al處理下植株積累大量鐵的可能原因在于植物在缺磷條件下能顯著促進(jìn)鐵吸收相關(guān)基因表達(dá),從而促進(jìn)鐵的吸收,這在一些研究中已經(jīng)被證實(shí)[33-34],同時(shí)本研究中,-P+Al-Fe處理植株根和葉片鐵含量卻顯著高于Al處理甚至達(dá)到CK的水平,也從側(cè)面證實(shí)缺磷能促進(jìn)植株對鐵的吸收積累。

綜上所述,鋁脅迫能顯著抑制杉木的生長,而在缺磷和鋁毒耦合脅迫下,鐵的存在與否對杉木的耐鋁性具有重要調(diào)控作用。相對于缺鐵而言,正常供鐵能顯著促進(jìn)鐵在植株體內(nèi)的積累,從而與鋁協(xié)同作用抑制抗氧化酶活性的增強(qiáng),加劇鋁毒誘導(dǎo)的H2O2形成,造成光合色素降解,同時(shí)對質(zhì)膜和光合反應(yīng)中心造成不可逆損傷,降低光合效率,抑制植株生長。